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Analytical Electron Microscopy: A multiple-tool technique for combined analysis Stefano Gialanella Dipartimento di Ingegneria Industriale

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Analytical Electron Microscopy:

A multiple-tool technique for combined analysis

Stefano Gialanella

Dipartimento di Ingegneria Industriale

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Outline: • Analytical Electron Microscopy • Electron Diffraction

Selected area electron diffraction (SAED) Convergent beam electron diffraction (CBED) Kikuchi lines

•  Imaging Diffraction contrast Applications Bright Field – Dark Field

•  Spectroscopies Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)

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Outline: • Analytical Electron Microscopy • Electron Diffraction

Selected area electron diffraction (SAED) Convergent beam electron diffraction (CBED) Kikuchi lines

•  Imaging Diffraction contrast Applications Bright Field – Dark Field

•  Spectroscopies Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)

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Analytical Electron Microscopy

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IMAGING MICROSTRUCTURE

DIFFRACTION CRYSTALLINE STRUCTURE

SPECTROSCOPIES COMPOSITION

Analytical Electron Microscopy

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Analytical Electron Microscopy

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Analytical Electron Microscopy

Bright Field

Dark Field

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Analytical Electron Microscopy

Bright Field

Dark Field SAED

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Outline: • Analytical Electron Microscopy • Electron Diffraction

Selected area electron diffraction (SAED) Convergent beam electron diffraction (CBED) Kikuchi lines

•  Imaging Diffraction contrast Applications Bright Field – Dark Field

•  Spectroscopies Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)

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Incoming beam

Specimen

Trace of the SAED aperture

Transmitted beam

Diffracted beam Plate

Electron Diffraction Selected Area Electron Diffraction (SAED)

Basics

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Electron Diffraction SAED

The patterns

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Spot pattern

Ring pattern

Electron Diffraction SAED

The patterns

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Electron Diffraction SAED The patterns

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1g2g

2g

1g

B

Plate

B = g 1 × g 2 =

=B Beam direction

Zone axis

Sample orientation

Electron Diffraction SAED

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2,0,-2

2,-1,-1

2,-2,0

1,1,-2

1,0,-1

1,-1,0

1,-2,1

0,2,-2

0,1,-1

0,-1,1

0,-2,2

-1,2,-1

-1,1,0

-1,0,1

-1,-1,2

-2,2,0

-2,1,1

-2,0,2

a*b*

c*

Zone axis : [1,1,1]

•  1 -1 0

•  Ex.: g1 = [110] g2 = [101] zone axis = 1 0 -1 = [111]

• 

Sample orientation

Electron Diffraction SAED

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Convergent beam electron diffraction (CBED) Electron Diffraction

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Kikuchi lines Electron Diffraction

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Kikuchi lines Electron Diffraction

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Kikuchi lines Electron Diffraction

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Kikuchi lines Electron Diffraction

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Outline: • Analytical Electron Microscopy • Electron Diffraction

Selected area electron diffraction (SAED) Convergent beam electron diffraction (CBED) Kikuchi lines

•  Imaging Diffraction contrast Applications Bright Field – Dark Field

•  Spectroscopies Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)

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Diffraction contrast: defect investigation

Diffraction contrast Imaging Applications

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Diffraction contrast Imaging Applications

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Diffraction contrast Imaging Applications

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Diffraction contrast Imaging Bright Field – Dark Field

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Diffraction contrast Imaging Bright Field – Dark Field

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Diffraction contrast Imaging Bright Field – Dark Field

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Diffraction contrast Imaging Bright Field – Dark Field

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Diffraction contrast Imaging Bright Field – Dark Field

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Diffraction contrast Imaging Bright Field – Dark Field

Dolcet et al.:Eur. J. Inorg. Chem. 2015, 706–714

C- ZnS H- ZnO

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Diffraction contrast Imaging Bright Field – Dark Field

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Outline: • Analytical Electron Microscopy • Electron Diffraction

Selected area electron diffraction (SAED) Convergent beam electron diffraction (CBED) Kikuchi lines

•  Imaging Diffraction contrast Applications Bright Field – Dark Field

•  Spectroscopies Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS) Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)

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Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDXS) Spectroscopies X-ray formation

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Spectroscopies

TEM. A Textbook for Materials Science, 2nd ed. William & Carter (2006)

EDXS

TEM-EDXS Interface

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Spectroscopies EDXS

TEM-EDXS Interface

Courtesy N.J. Zaluzec.

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Spectroscopies EDXS

EDXS Detectors

Si(Li)

LN2 cold finger

Courtesy N.J. Zaluzec.

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Spectroscopies EDXS

EDXS Detectors

Si Drift Detector

Courtesy N.J. Zaluzec.

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Spectroscopies EDXS

EDXS Detectors

Si Drift Detector

Courtesy N.J. Zaluzec.

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Spectroscopies EDXS

EDXS Detectors

Courtesy N.J. Zaluzec.

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Spectroscopies EDXS

Spatial resolution & electron interaction volume

•  Spatial resolution increases with electron energy

•  Interaction volume extremely limited •  Low count rates

•  High resolution TEM T

EM

SE

M

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Spectroscopies EDXS

Qualitative analysis

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Spectroscopies EDXS

Qualitative analysis

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Spectroscopies EDXS

Qualitative analysis

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Spectroscopies EDXS

Qualitative analysis

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Spectroscopies EDXS

Qualitative analysis

I e II: BSEIII: SE

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Spectroscopies EDXS Qualitative analysis

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Silicon X-ray escape peaks

Silicon internal fluorescence peak

Spectroscopies EDXS Spuroius peaks - Detector

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Spectroscopies EDXS

Silicon internal fluorescence peak

Spuroius peaks - Detector

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Pile-up peaks

Spectroscopies EDXS Spuroius peaks - Detector

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Spectroscopies EDXS

Spurious signals - Microscope

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Spectroscopies EDXS

The Hole Count

Spurious signals - Microscope

Courtesy N.J. Zaluzec.

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Spectroscopies EDXS

Spurious signals - Microscope

Courtesy N.J. Zaluzec.

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Spectroscopies EDXS

Spurious signals - Microscope

Courtesy N.J. Zaluzec.

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Spectroscopies EDXS Spurious signals – Sample Holder

!

!

!TiO2 -Au

Cu & Zn lines from sample holder

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Spectroscopies EDXS

Extra signals

Reese, GM, Spence, JCH and Yamamoto,N.; Coherent Bremsstrahlung from Kilovolt Electrons in Zone Axis Orientations Phil. Mag. A 49 697–716 (1984).

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Spectroscopies

Instrumental parameters:

Channel width: 10 eV/ch or better

Time constant: generally better low values to maximise count rate

Multichannel energy resolution: to be periodically checked.

EDXS

Test strategy

Critical parameters:

Spectrometer resolution

Calibration of the energy range

Maximum output count rate

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Ci

Ci,STD

= KIi

Ii ,STD

Spectroscopies EDXS

Quantitative analysis

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K, for bulk/thick samples depends on: Z - Atomic number A -X-ray absorption F - X-ray secondary fluorescence

Thin sample(foil) criterion: - “Matrix effect” is not so imporant, as interaction volume is very small.

- Absorption and fluorescence can be disregarded.

Spectroscopies EDXS

Quantitative analysis

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CA

CB

= KAB

IA

IB

CLIFF-LORIMER equation:

Spectroscopies EDXS

EDXS quantitative analysis is usually quite straightforward in a TEM (thin-film approximation)

Quantitative analysis

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Spectroscopies

How to decide if the above approximationis valid!? When the bremsstralung X-rays are not absorbed in the specimen.

EDXS

Quantitative analysis

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Spectroscopies

Step by step quantitative analysis – Standard approach 1.  Verify thin sample approximation

2.  Acquire standard sample spectrum/a

3.  Measure IA, IB, IC,….

4.  Evaluate KAB, KBC, …

5.  Acquire sample spectrum/a

6.  Measure IA, IB, IC,…

7.  Evaluate CA,CB, CC,… TEM. A Textbook for Materials Scince, 2nd ed. William & Carter (2006)

EDXS Quantitative analysis

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KAB =KAC

KBC

Spectroscopies

CA

CB

= KAB

IA

IB

EDXS

Quantitative analysis

CA

CC

= KAC

IA

IC

CB

CC

= KBC

IB

IC

IA + IB + IC =100

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MAUD - Trento2015 TEM. A Textbook for Materials Science, 2nd ed. William & Carter (2006)

1)  Experimental determination, using standard samples Time spending

More accurate results

2)  First principles calculation

Quick Less reliable results

Spectroscopies EDXS

Determination of KAB

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•  Inelastic interaction “products”

- Interband transitions (few eV) - Plasmons (10 eV) - Phonons (10-2 eV) - Core electron excitation

Characteristic X-rays (E>102 eV up to E>104 eV) Energy loss electrons (102 eV (range) < E <104 eV (range))

Spectroscopies Electron Energy-Loss Spectroscopy (EELS)

EELS – vs - EDXS

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Spectroscopies EELS

EELS – vs - EDXS

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Spectroscopies EELS

Instrumentation

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Spectroscopies Spectroscopies EELS

Instrumentation

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- Zero-loss peak

- Plasmon peak(s)

- Absorption edges

Spectroscopies EELS

Spectrum components

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Spectroscopies EELS

Quantification

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Spectroscopies EELS

Fine structure

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10 nm

Plate-like precipitate in a Al-Cu-Ag-Mg alloy

Spectroscopies EELS

Imaging & mapping

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10 nm

Spectroscopies EELS Imaging & mapping

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Applications,Ed. S. Amelinckx, D. van Dyck, J. van Landuyt, G. van Tendeloo, VCH (1998).

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10- J.C.H. Spence - Experimental High-Resolution Microscopy, Oxford Univ. Press (1988).

11- R.F. Egerton – Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope, Plenum Press (1996).